Тема квантового компьютера в последнее время стала очень популярной, и разговоры о прорыве в технологиях не стихают, а ведь не так давно успех исследований в области квантовых вычислений был чем-то из ряда фантастики. Новые термины ворвались в информационный поток и теперь на слуху не меньше, чем искусственный интеллект и машинное обучение. Хотя исследования ведутся уже не первое десятилетие, особенно плодотворным в плане разработок и богатым на события оказался прошлый год, когда IBM явила миру первый коммерческий квантовый компьютер, а Google сообщила о достижении квантового превосходства.
Революционные открытия в современной физике, обеспечившие новый виток развития вычислительных технологий, без преувеличений способны изменить мир и принести человечеству колоссальную пользу при правильном применении. Если вы заинтересовались этой темой и хотите понять, что представляют собой квантовые компьютеры, по какому принципу работают и зачем они вообще нужны, то в данном материале мы расскажем об этом максимально понятно, не углубляясь в изучение квантовой механики и структуры квантового мира.
Что такое квантовый компьютер
Сегодня уже сомневаться в том, существует ли квантовый компьютер, не приходится. Если ещё недавно он был лишь плодом фантазии учёных, то теперь стал вполне осязаемым объектом, и мы можем посмотреть, как выглядит практическая реализация системы.
Если говорить простым языком, что такое квантовый компьютер, то это средство вычислительной техники, использующее в своей работе законы квантовой механики. Машина выполняет определённые задачи более эффективно, чем простой компьютер, хранящий данные в битах.
КК применяет квантовые алгоритмы, которые используют такие эффекты как суперпозиция и квантовая запутанность. Для вычислений используются кубиты (квантовые частицы), способные пребывать сразу в двух состояниях. То есть, если бит принимает одно из двух возможных значений – 0 или 1, то кубит – это одновременно и 0, и 1, что позволяет КК обрабатывать данные и выполнять математические задачи в тысячи раз быстрее обычного. Ему не нужно перебирать комбинации, как это делает, в том числе суперкомпьютер, квантовой системой ответ просчитывается молниеносно. Эти возможности открывают путь к решению задач, невыполнимых сегодня или требующих больших временных затрат.
История создания компьютеров нового поколения берёт начало в далёком 1981 году, когда впервые заговорили об использовании квантовых систем для вычислений. Тогда до физической реализации было ещё далеко, первый рабочий алгоритм для КК появился только в 1994 году, а первую 2-кубитную машину создали в 1998 году в Калифорнийском университете в Беркли. Экспериментальные образцы на протяжении десятилетий создавались группами учёных из разных стран, но наибольших успехов на этом поприще добились IBM и Google.
Гонка ведущих компаний в самом разгаре. В июне 2020 года от Honeywell поступило сообщение о том, что создан самый мощный на сегодня квантовый компьютер. Компания заявляет, что созданное устройство в два раза превосходит квантовые системы IBM и Google, в считанные минуты решающие задачи, на которые у обычных компьютеров потребовались бы тысячелетия. Разработка Honeywell впечатляет рекордным показателем производительности в 64 квантовых объёма. Ядро системы являет собой стальную сферу размером с баскетбольный мяч, охлаждающуюся посредством жидкого гелия до температуры -262,7 ° C. В ней содержатся ловушки ионов, образующихся из атомов, они под воздействием низких температур прекращают движение и управляются импульсами лазера.
Для чего нужен квантовый компьютер
Быстрая обработка больших массивов данных при использовании новых технологий может помочь решить множество задач и затронет самые разные области. Например, КК всего за несколько секунд справится с разложением чисел, состоящих из большого количества знаков, на простые множители (сам по себе процесс не сложен, но требует больших временных затрат, на этом и базируется современная криптография), а также решит ряд похожих задач. Кроме того, технологии подойдут и для моделирования сложных ситуаций, в том числе расчёта физических свойств элементов на молекулярном уровне.
Основные сферы применения квантовых компьютеров:
- глобальная оптимизация;
- моделирование молекул ДНК;
- создание новых материалов;
- создание лекарственных препаратов;
- совершенствование машинного обучения;
- задачи криптографии и шифрования (в том числе взлом алгоритмов шифрования и получение доступа к любой информации).
На данном этапе квантовые компьютеры отличаются сложностью производства и нестабильностью работы, поэтому пока удаётся только разрабатывать высокопроизводительные системы, заточенные под единственный алгоритм и рассчитанные на очень узкий круг задач.
Чем отличается квантовый компьютер от обычного
За 30 лет с момента появления понятия «квантовые вычисления» научные разработки позволили вычислительным системам данного типа стать реальностью, хотя и недоступной для рядового пользователя. Квантовые компьютеры базируются на уникальном поведении, которое принципиально отличается от работы стандартных, привычных для нас машин и описывается квантовой механикой.
Устройства способны в считанные секунды решать математические задачи, решение которых на обычном компьютере затянулось бы на миллиарды лет. По заявлению Гугл, квантовая машина Sycamore за три с лишним минут выполнила вычисления, над которыми стандартный суперкомпьютер корпел бы 10000 лет – это зовётся громким термином «квантовое превосходство».
Привычный компьютер, с которым знаком каждый современный человек, а также смартфон, планшет или ноутбук хранят информацию в битах, принимающих значение 0 или 1, причём нулями и единицами можно представить любую информацию, будь то текст или картинка. Принципиальное отличие и преимущество квантового компьютера в используемой операционной единице, именуемой кубит (или квантовый бит). Кубит может пребывать в состоянии неопределённости, другими словами, находиться в разных состояниях одновременно, по аналогии с котом Шрёдингера (явление суперпозиции).
Квантовый компьютер многократно быстрее и мощнее обычного, при этом он не подходит для большинства повседневных задач, так как его принцип работы будет сильно отличаться.
Как устроен компьютер будущего
Теперь рассмотрим подробнее, из чего состоит высокотехнологичная система. Как мы уже выяснили, минимальной единицей информации в обычном компьютере является бит, принимающий значение 1 или 0 (включён или выключен), в квантовом компьютере – это кубиты, которые могут принимать все значения. При этом квантовые частицы зависят от измерения, что означает отсутствие информации о кубите до момента его измерения, сам процесс измерения также оказывает влияние на значение квантового бита, что может показаться странным, но дело обстоит именно так.
Благодаря данному свойству кубитов (одновременное пребывание сразу во всех состояниях), до того времени, пока частица не была измерена, компьютер мгновенно переберёт вероятные варианты решения ввиду имеющейся связи между кубитами. Таким образом, решение известно сразу же, как только были введены исходные данные, то есть суперпозиция обуславливает параллельность вычислений, ускоряющую функционирование алгоритмов в разы.
Устройство квантового компьютера включает:
- управляющий компьютер;
- генератор импульсов, воздействующих на кубиты;
- регистр состояния;
- процессор;
- устройство измерения состояния кубитов.
Для работы между атомами обеспечивается квантовая связь, причём, чем больше связей образуют кубиты, тем меньшей будет стабильность системы. Для квантового превосходства над стандартным компьютером потребуется не менее 49 кубитов, а в таком случае устойчивость системы уже под вопросом. Когда создаются многочисленные зависимости, повлиять на них могут любые внешние воздействия.
Ввиду хрупкости связей КК, состоящий из нескольких основных уровней, включает охлаждение атомов практически до абсолютного нуля, что позволяет оградить от внешних процессов, по этой причине устройство с предусмотренной защитой квантового процессора занимает большой объём места.
Принцип работы КК
Привычная схема работы компьютеров, ноутбуков, смартфонов или планшетов, использующая цифровой принцип, базируется на использовании классических алгоритмов, что кардинально отличается от принципа действия квантового компьютера. Так, обычный компьютер покажет одинаковый результат вне зависимости от того, сколько раз запустить вычисление, варианты просчитываются последовательно.
Квантовый компьютер использует совершенно иной – вероятностный принцип работы. В определённом смысле система уже содержит все возможные варианты решений. Результат вычислений – это наиболее вероятностный ответ, а не однозначный, при этом при каждом последующем запуске квантового алгоритма вероятность получения правильного ответа растёт, а значит, спустя 3–4 быстрых прогона можно быть уверенным, что мы пришли к верному решению, например, ключу шифрования.
В квантовых системах, применяющих в своей работе кубиты, с ростом числа частиц растёт в геометрической прогрессии и количество обрабатываемых одновременно значений.
Говоря о том, как работает квантовый компьютер, стоит упомянуть и о связи кубитов. При наличии нескольких кубитов в системе изменение одного повлечёт также изменение остальных частиц. Вычислительная мощность достигается путём параллельных расчётов.
Несмотря на многомиллионные вложения, развиваются квантовые технологии достаточно медленно. Это связано с большим количеством трудностей, с которыми пришлось столкнуться учёным в процессе исследований, включая необходимость построения низкотемпературных саркофагов с максимальной изоляцией камеры с процессором от любых возможных внешних воздействий для сохранения квантовых свойств системы. Кроме того, перед исследователями стоит задача по решению ошибок, поскольку квантовые процессы и вычисления имеют вероятностную природу и не могут быть стопроцентно верными.
Построение стабильных систем к тому же далеко от идеала, а при реализации квантового компьютера на физическом уровне применяется несколько вариантов решений с использованием разных технологий. Так что создание полноценного универсального квантового компьютера всё ещё в будущем, хоть и не таком далёком, как казалось ещё пять лет назад. Его созданием занимаются крупнейшие компании, такие как IBM, Google, Intel, Microsoft, внёсшие большой вклад в развитие технологий, а также некоторые государства, для которых данный вопрос имеет стратегическое значение.
